CN104966153A - 一种光伏并网发电系统稳态电能质量综合评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光伏并网发电系统稳态电能质量综合评估方法，其特点是包括以下步骤：运用统计学方法对连续测量所得的指标数据进行处理并标准化计算；结合专家经验，对光伏系统指标进行主观赋权，然后将标准化后的数据线性加权得到带权指标，并以带权指标为扇形半径绘制雷达图；根据得到的雷达图，计算指标区域特征值，构造评价函数；结合评价函数给出待评估光伏系统的评估等级。本发明利用采用的改进雷达图法，具有形象直观、简单易操作、适用性强等特点，其充分利用了专家意见和所测光伏系统的指标数据，最终得到的评价结果具有唯一性，并给出光伏电能质量所属等级，本发明对于维持电网电能质量，保护电力系统安全稳定可靠具有重要意义。

Description

一种光伏并网发电系统稳态电能质量综合评估方法

技术领域

本发明属于太阳能光伏发电电能质量综合评估领域，具体涉及一种光伏并网发电系统稳态电能质量综合评估方法。

背景技术

分布式能源接入电网后，在改变电网原有的拓扑结构和潮流分布的基础上，还会引起当地电网电能质量问题，引起诸如频率偏差、电压波动、谐波畸变等危害。电网电能质量的下降会危及电力系统和电气设备的正常运行，造成巨大的经济损失。

太阳能光伏发电作为新能源发展的重要途径，我国已经对光伏发电系统的并网电能质量各指标(包括频率偏差、电压波动、电压偏差、电压闪变、三相不平衡度、谐波畸变等)做出了规定，但是单项指标合格与否并不能整体反映电能质量的好坏。在光伏电能并网之前，必须对其进行综合评估，电能质量综合评估不仅是电力市场环境下确定电价的基础，而且可以为相关部门综合电能治理提供一定的指导。因此，迫切需要一种有效地对光伏并网发电系统稳态电能质量进行综合评估的方法。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种光伏并网发电系统稳态电能质量综合评估方法，解决光伏发电系统并网前对其稳态电能质量有效进行评估并确定其所属等级的问题。

本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：

一种光伏并网发电系统稳态电能质量综合评估方法，包括以下步骤：

步骤1、运用统计学方法对连续测量所得的指标数据进行处理并标准化计算；

步骤2、结合专家经验，对光伏系统指标进行主观赋权，然后将标准化后的数据线性加权得到带权指标，并以带权指标为扇形半径绘制雷达图；

步骤3、根据得到的雷达图，计算指标区域特征值，构造评价函数；

步骤4、结合评价函数给出待评估光伏系统的评估等级。

而且，所述步骤1的具体处理方法为：采用电能质量分析仪对光伏系统的m项指标经过n次测量，得到m×n个数据，其中每个数据用X_ij(1≤i≤n,1≤j≤m)来表示，对数据进行标准化处理：对于逆向指标，做如下标准化处理：

${x_{ij}}^{\′}=\frac{x_{ij}}{x_{i,jmax}}$

对于正向指标，作如下标准化处理：

${x_{ij}}^{\′}=\frac{x_{ijmin}}{x_{ij}}$

式中，X_ij′表示进行标准化后得到的数据，X_ij表示测量方案所得的第i组数据中第j个指标值，X_ij max表示第j个指标的最大值。

而且，所述步骤2对光伏系统指标进行主观赋权采用如下方式进行处理：

$w_i=\frac{W_i}{\underset{i=1}{\overset{m}{\Σ}}{W}_i}$

式中，w_i为归一化的权重向量。

而且，所述步骤2对标准化的数据进行线性加权处理的方法为：令第i(1≤i≤n)组待评估对象的m个指标数据形成一个标准化向量为v＝(v₁,v₂...v_m-1,v_m)，由专家给出的指标权重向量归一化后形成向量为w＝(w₁,w₂...w_m-1,w_m)，然后将指标向量v中的每个数值与归一化的权重向量相乘，可以得到带权指标值p＝v×w＝(p₁,p₂...p_m-1,p_m)。

而且，所述步骤2并以带权指标为扇形半径绘制雷达图的方法为：以水平轴作为第一指标的参考，然后依次以带权指标p_i作为扇形半径，以2π/m为圆心角作出每个指标的代表区域，绘制雷达图。

而且，所述步骤3的具体方法为：根据得到的改进雷达图，提取每个对象的雷达图面积和周长作为特征值，记为A_i、L_i，其中，i＝1,2,3...n为评价对象的个数，面积A_i为雷达图中所有扇形面积之和，周长L_i为所有扇形的弧长之和，计 算公式如下：

$\left\{\begin{array}{cc}{A}_i=\underset{j=1}{\overset{m}{\Σ}}\frac{1}{m}\mathrm{\π}& p_{ij}^2\\ L_i=\underset{j=1}{\overset{m}{\Σ}}\frac{2}{m}\mathrm{\π}& p_{ij}\end{array}\right.$

根据特征向量构造评价向量v＝[v_i1,v_i2]：

$\left\{\begin{array}{c}{v}_{i1}=A_i/{\mathrm{maxA}}_i\\ v_{i2}=L_i/2\mathrm{\π}\sqrt{A_i/\mathrm{\π}}\end{array}\right.$

v_i1,v_i2分别表示面积大小和相同面积下的周长与圆周长的比值，且v_i1,v_i2∈(0,1]；

根据特征向量构造评价函数如下：

$f=\sqrt{v_{i1}{v}_{i2}}.$

本发明的优点和积极效果是：

本发明提出了一种基于改进雷达图的光伏并网发电系统稳态电能质量综合评估方法，所采用的改进雷达图法形象直观，简单易操作，适用性强，其充分考察了专家意见和所测光伏系统的指标数据，最终得到的评价结果具有唯一性，并给出光伏电能质量所属等级，本发明对于维持电网电能质量，保护电力系统安全稳定可靠具有重要意义。

附图说明

图1是本发明中光伏电能质量评估的指标体系图；

图2是本发明的实现流程图；

图3是本发明的改进雷达图的结构示意图；

图4是本发明实施样例样本中的第一组数据绘制的改进雷达图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施例做进一步详述：

一种光伏并网发电系统稳态电能质量综合评估方法，是基于图1所示的光伏电能质量评估的指标体系实现的，该电能质量评估指标包括电压质量和频率质量，其中电压质量包括三相电压不平衡、电压偏差、电压波动、电压闪变和 谐波，频率质量包括频率偏差。如图2所示，本发明的光伏并网发电系统稳态电能质量综合评估方法包括以下步骤：

步骤1、运用统计学方法对连续测量所得的指标数据进行处理并标准化计算；

在本步骤中，对指标数据进行标准化处理是采用统计学方法实现的。设电能质量分析仪对光伏系统的m项指标经过n次测量，得到m×n个数据，其中每个数据用X_ij(1≤i≤n,1≤j≤m)来表示。由于不同指标量纲不同，为了消除不同指标之间的影响，在评估前需要对数据进行标准化处理。对于数值越小越好的逆向指标，做如下标准化处理：

${x_{ij}}^{\′}=\frac{x_{ij}}{x_{i,jmax}}---\left(1\right)$

式中，X_ij′表示进行标准化后得到的数据，X_ij表示测量方案所得的第i组数据中第j个指标值，X_ij max表示第j个指标的最大值。

类似的，对于数值越大越好的正向指标，处理方法如下：

${x_{ij}}^{\′}=\frac{x_{ijmin}}{x_{ij}}---\left(2\right)$

步骤2、结合专家经验，对光伏系统指标进行主观赋权，然后将标准化后的数据线性加权得到带权指标，并以带权指标为扇形半径绘制雷达图。

在光伏电能评估体系中，由于其输出受自然条件和逆变时控制测量影响较大，因此必须充分考虑多位专家意见，建立专家评价矩阵并检验一致性，最终得出各指标之间相对权值。在本步骤中，需要对数据进行进行归一化处理。

$w_i=\frac{W_i}{\underset{i=1}{\overset{m}{\Σ}}{W}_i}---\left(3\right)$

在对光伏系统指标赋权后，对标准化的数据进行线性加权处理：雷达图法中由于指标排序不同而造成评估结果不唯一的根本原因是在绘制雷达图时，顺序直线连接指标轴上各点形成多边形。在构造评价函数时，由于不同指标排序而形成的多边形面积和周长不相等，造成评估结果不一致。因此，本发明采用 圆弧方式取代三角形区域，并根据所绘制雷达图构造评价函数。由于权重表示的是指标值之间相对重要程度，因此，本发明采用线性加权的方法，将指标值与相应的权重相乘，得到带权指标值。过程如下：

按照步骤1所述标准化方法对初始测量数据进行处理后，令第i(1≤i≤n)组待评估对象的m个指标数据形成一个标准化向量v＝(v₁,v₂...v_m-1,v_m)。假设在光伏评估指标体系中，由专家给出的指标权重向量归一化后形成向量w＝(w₁,w₂...w_m-1,w_m)。然后将指标向量v中的每个数值与相应的权重相乘，可以得到带权指标值p＝v×w＝(p₁,p₂...p_m-1,p_m)。

以水平轴作为第一指标的参考，然后取p₁长度，以2π/m为圆心角作一扇形。然后依次以带权指标p_i作为扇形半径，以2π/m为圆心角作出每个指标的代表区域，绘制雷达图。

步骤3、根据得到的雷达图，计算指标区域特征值，构造评价函数。

对得到的改进雷达图，提取每个对象的雷达图面积和周长作为特征值，记为A_i、L_i，(i＝1,2,3...n为评价对象的个数)。面积A_i为雷达图中所有扇形面积之和，周长L_i为所有扇形的弧长之和。若面积越大，表示该对象的总体优势越大；当面积一定时，周长越小，越趋近于圆形，表示各对象的发展越协调。

$\left\{\begin{array}{cc}{A}_i=\underset{j=1}{\overset{m}{\Σ}}\frac{1}{m}\mathrm{\π}& p_{ij}^2\\ L_i=\underset{j=1}{\overset{m}{\Σ}}\frac{2}{m}\mathrm{\π}& p_{ij}\end{array}\right.---\left(4\right)$

根据特征向量构造评价向量v＝[v_i1,v_i2]。

$\left\{\begin{array}{c}{v}_{i1}=A_i/{\mathrm{maxA}}_i\\ v_{i2}=L_i/2\mathrm{\π}\sqrt{A_i/\mathrm{\π}}\end{array}\right.---\left(5\right)$

v_i1,v_i2分别表示面积大小和相同面积下的周长与圆周长的比值，且v_i1,v_i2∈(0,1]。

根据特征向量构造评价函数，一般评价函数取v_i1,v_i2的集合均值，即评价函数：

$f=\sqrt{v_{i1}{v}_{i2}}---\left(6\right)$

步骤4、结合评价函数给出待评估光伏系统的评估等级。

通过以上步骤，即可实现对光伏并网发电系统稳态电能质量进行综合评估的功能。

下面以一个具体实施例说明本发明的评估过程：

将光伏电能质量国家标准中的指标限制按照一定标准划分为若干个等级，通过确定待评估数据所处的等级区间来确定观测点的电能质量。表1为将光伏电能6个指标等级划分后的结果。其中x₁～x₆分别代表频率偏差、电压谐波、电压波动、电压闪边、电压偏差、三相不平衡度(以下涉及x₁～x₆亦表示相同指标含义)。

表1.电能质量各指标边界划分

	x1	x2	x3	x4	x5	x6
							边界0	0	0	0	0	0	0
边界1	0.04	1.0	0.6	0.2	1.4	0.2
							边界2	0.08	2.0	1.2	0.4	2.8	0.5
边界3	0.12	3.0	1.8	0.6	4.2	0.8
							边界4	0.16	4.0	2.4	0.8	5.6	1.1
边界5	0.20	5.0	3.0	1.0	7.0	1.3

本发明采用福禄克435II型电能质量分析仪为测量设备，选取天津大学动模实验室光伏并网耦合点，以光伏并网电能质量等级评估为研究问题，探究光伏并网可行性。该电能质量分析仪每3秒进行一次测量，对该光伏系统连续进行7天测量。对所得大量数据进行统计学分析，选取各指标的95％概率大值作为日典型值，列表如下。

表2.电能质量各指标典型测量值

	x1	x2	x3	x4	x5	x6
							第一天	0.011	1.33	0.123	0.523	10.8	0.313

第二天	0.013	1.58	0.132	0.741	9.8	0.297
							第三天	0.017	1.64	0.136	0.512	9.6	0.302
第四天	0.015	1.61	0.127	0.525	10.6	0.377
							第五天	0.021	1.64	0.127	0.498	9.6	0.406
第六天	0.014	1.65	0.132	0.293	8.3	0.364
							第七天	0.014	1.77	0.132	0.204	8.1	0.403

用本专利所述方法对该系统进行优化计算。将表1和表2数据组成一个13×6的矩阵，并按步骤1所述方法进行标准化处理，对于光伏电能指标权重，考虑专家意见并采用层次分析法，可得权重向量的取值如下：

w＝(0.3291,0.0868,0.1430,0.1430,0.2358,0,0622)

按照步骤3所述的线性加权的方法进行处理，可得到带权指标值并绘制得到雷达图，如图3所示。图4给出了本发明实施样例样本中的第一组数据绘制的改进雷达图。

不同等级的区间值用本文改进雷达图法所得的综合评价值如表3所示：

表3

	评价函数值f
		特质	0≤f≤0.1077
优质	0.1077≤f≤0.2171
		良好	0.2171≤f≤0.3264
中等	0.3264≤f≤0.4358
		合格	0.4358≤f≤0.5435
不合格	f≥0.5435
		第一天	f＝0.1858
第二天	f＝0.1988
		第三天	f＝0.1825
第四天	f＝0.1914

第五天	f＝0.1828
		第六天	f＝0.1551
第七天	f＝0.1511

通过监测周期内各天的电能质量数据可以从整体上反映该光伏系统的整体电能质量状况。由表2数据可以看出，本算例中监测点的电能质量数据波动较小，没有出现较大的波动，这也正是稳态电能质量评估的条件。

从表3可以看出，第一天到第七天的电能质量均位于优质级，表面该光伏发电系统符合我国光伏发电系统并网等级。并且从评价函数f值可以看出，该发明还可以给出相同等级下的光伏电能质量优劣排序，并且结果唯一。

光伏电能质量综合评估是一个多指标问题，本发明利用改进雷达图将多个指标进行综合，利用评价函数得到具有唯一评价结果的评估值，克服了单项指标在反映电能质量整体水平的局限性。

需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。

Claims (6)

1.一种光伏并网发电系统稳态电能质量综合评估方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1、运用统计学方法对连续测量所得的指标数据进行处理并标准化计算；

步骤2、结合专家经验，对光伏系统指标进行主观赋权，然后将标准化后的数据线性加权得到带权指标，并以带权指标为扇形半径绘制雷达图；

步骤3、根据得到的雷达图，计算指标区域特征值，构造评价函数；

步骤4、结合评价函数给出待评估光伏系统的评估等级。

2.根据权利要求1所述的一种光伏并网发电系统稳态电能质量综合评估方法，其特征在于：所述步骤1的具体处理方法为：采用电能质量分析仪对光伏系统的m项指标经过n次测量，得到m×n个数据，其中每个数据用X_ij(1≤i≤n,1≤j≤m)来表示，对数据进行标准化处理：对于逆向指标，做如下标准化处理：

对于正向指标，作如下标准化处理：

式中，X_ij'表示进行标准化后得到的数据，X_ij表示测量方案所得的第i组数据中第j个指标值，X_ijmax表示第j个指标的最大值。

3.根据权利要求1所述的一种光伏并网发电系统稳态电能质量综合评估方法，其特征在于：所述步骤2对光伏系统指标进行主观赋权采用如下方式进行处理：

式中，w_i为归一化的权重向量。

4.根据权利要求1所述的一种光伏并网发电系统稳态电能质量综合评估方法，其特征在于：所述步骤2对标准化的数据进行线性加权处理的方法为：令第i(1≤i≤n)组待评估对象的m个指标数据形成一个标准化向量为v＝(v₁,v₂...v_m-1,v_m)，由专家给出的指标权重向量归一化后形成向量为w＝(w₁,w₂...w_m-1,w_m)，然后将指标向量v中的每个数值与归一化的权重向量相乘，可以得到带权指标值p＝v×w＝(p₁,p₂...p_m-1,p_m)。

5.根据权利要求1所述的一种光伏并网发电系统稳态电能质量综合评估方法，其特征在于：所述步骤2并以带权指标为扇形半径绘制雷达图的方法为：以水平轴作为第一指标的参考，然后依次以带权指标p_i作为扇形半径，以2π/m为圆心角作出每个指标的代表区域，绘制雷达图。

6.根据权利要求1所述的一种光伏并网发电系统稳态电能质量综合评估方法，其特征在于：所述步骤3的具体方法为：根据得到的改进雷达图，提取每个对象的雷达图面积和周长作为特征值，记为A_i、L_i，其中，i＝1,2,3...n为评价对象的个数，面积A_i为雷达图中所有扇形面积之和，周长L_i为所有扇形的弧长之和，计算公式如下：

根据特征向量构造评价向量v＝[v_i1,v_i2]：

v_i1,v_i2分别表示面积大小和相同面积下的周长与圆周长的比值，且v_i1,v_i2∈(0,1]；

根据特征向量构造评价函数如下：